Fisica dei semiconduttori

A.A. 2020/2021
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso fornisce una comprensione microscopica delle proprietà fondamentali della fisica dei semiconduttori e degli aspetti tecnologico-applicativi ad essa legati. Il corso sarà focalizzato sui seguenti argomenti:
1.Comprensione delle proprietà elettroniche, vibrazionali, ottiche e magnetiche dei semiconduttori
2.Difetti (droganti e profondi)
3.Trasporto in semiconduttori 3D
4.Proprietà elettroniche e di trasporto in nanostrutture 2D, 1D, 0D
5.Fisica delle eterostrutture e delle giunzioni: concetti di base per la comprensione della fisica dei dispositivi nanoelettronici
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine del corso avrà acquisito le seguenti abilità:
1. Saprà descrivere i meccanismi microscopici responsabili delle proprietà di trasporto nei semiconduttori.
2. Conoscerà le principali tecniche sperimentali di crescita e caratterizzazione dei materiali semiconduttori.
3. Conoscerà le principali tecniche di calcolo delle proprietà elettroniche dei semiconduttori.
4. Sarà in grado di descrivere gli effetti di confinamento quantistico in nano-strutture di materiali semiconduttori.
5. Avrà acquisito la conoscenza dei processi che governano la fisica dei semiconduttori e saprà applicare le proprie conoscenze per attività di ricerca sia in ambito accademico che industriale per sviluppare la tecnologia dei materiali semiconduttori.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Primo semestre
L'insegnamento potrà essere erogato interamente da remoto se vi fossero limitazioni alla mobilità legate all'emergenza sanitaria. In tal caso le spiegazioni verranno offerte in aule virtuali (piattaforma zoom) preferibilmente in collegamento sincrono, con la possibilità di interazione in tempo reale tra gli studenti e il docente.
Programma
Il corso si propone di illustrare i concetti basilari della fisica dei semiconduttori unitamente ai metodi di simulazione ed alle tecniche sperimentali per lo studio delle proprietà di questi materiali. Durante il corso verrà fatto riferimento anche ad applicazioni industriali ed ai recenti sviluppi di nuovi materiali per l'elettronica ultra-scalata.
Argomenti trattati:
1. Introduzione ai metodi di crescita dei semiconduttori (2)
Tecniche MOCVD, MBE, ALD.
2. La struttura cristallina (1)
Reticoli semplici; strutture cristalline dei semiconduttori; reticoli di Bravais; reticolo reciproco; indici di Miller.
3. Bande di energia (4)
Stati di Bloch; funzioni di Wannier; modello a elettroni strettamente legati (tight binding); pseudo-potenziale, approssimazione k p; bande di valenza e legami; struttura delle bande di energia; massa effettiva e sua determinazione sperimentale.
4. Fononi e proprietà termiche (3)
Curve di dispersione; modelli teorici; tecniche sperimentali;
5. Difetti reticolari: proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali (4)
Difetti puntuali; droganti; difetti intrinseci; impurezze; complessi. Difetti "shallow": teoria della massa efficace. Difetti "deep": funzioni di Green. Cenni ai difetti estesi: dislocazioni, difetti planari. Tecniche sperimentali per lo studio dei difetti.
6. Distribuzioni in equilibrio (4)
Statistica; termodinamica; densità di stati; distribuzione di buche ed elettroni; semiconduttori intrinseci ed estrinseci, livello di Fermi, potenziale chimico.
7. Proprietà ottiche (4). Interazione fotone-elettrone, polaritoni; assorbimento banda-banda; assorbimento eccitonico; assorbimento di portatori liberi; riflettività; assorbimento del reticolo; impurezze. Scattering inelastico di fotoni: spettroscopia Raman. Fotoluminescenza. Fotoionizzazione.
8. Proprietà di trasporto (4)
Grandezze macroscopiche caratterizzanti il trasporto. Equazione di Boltzmann; funzione di distribuzione; trasporto di carica; processi di scattering, tempi di rilassamento; effetto Hall, magnetoresistenza, effetti di elevato campo elettrico (portatori caldi), effetto Gunn.
9. Portatori in eccesso (2)
Generazione e ricombinazione. Diffusione e deriva. Giunzioni in equilibrio termodinamico. Giunzioni in condizioni di non equilibrio.
10. Fase di Berry (2).
Polarizzazione dei semiconduttori.
11. Eterostrutture (4)
Regione di carica spaziale; flusso di corrente; ionizzazione per impatto; tunneling; capacità, gas elettronici bidimensionali (2DEG). Trasporto. Effetto Hall quantistico.
12. Celle Solari (2) Effetto fotovoltaico; efficienza cella solare; celle solari di prima, seconda e terza generazione; aspetti commerciali e strategie energetiche
13. Nanostrutture. (2) Quantum well. Strutture 1D e 0D, Coulomb blockade. Dispositivi a singolo elettrone.
14. Spintronica. (2)
Introduzione all'elettronica di spin; effetto Rashba; spin transistor; semiconduttori magnetici; composti di Heusler.
15. Computer quantistico. (2)
Dispositivi a semiconduttore per la computazione quantistica, architettura di Kane
Prerequisiti
Conoscenza elementare della meccanica quantistica e dei concetti basilari di struttura della materia
Metodi didattici
Il metodo didattico adottato prevede ad ogni lezione la spiegazione cattedratica degli argomenti oggetto del corso. Gli argomenti vengono illustrati anche con esempi e approfonditi mediante discussioni riguardanti i materiali semiconduttori.
Materiale di riferimento
Note del docente; M.Balkanski and R.F.Wallis, Semiconductor Physics and applications, (Oxford University Press, 2000); P.Yu and M. Cardona Fundamentals of Semiconductors (Springer 2010). Eventuali altri testi più specialistici, su argomenti specifici, potranno essere indicati durante le lezioni.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L' esame consiste in un colloquio tipicamente della durata di 30-40 minuti in cui lo studente deve illustrare gli argomenti appresi e la comprensione delle idee e la padronanza dei concetti della fisica dei materiali semiconduttori
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
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